食品乳液凝胶的制备及其应用研究进展

崔梦楠，鹿 瑶，高彦祥，毛立科*

（北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

乳液凝胶是指一种被乳状液液滴填充的具有凝胶网状结构，且机械性能较强的凝胶[1]。因乳液凝胶独特的结构特性和功能特性，现已广泛应用于奶酪、酸奶、加工肉制品等领域中[2-3]。按照凝胶基质的不同可分为蛋白质乳液凝胶、多糖乳液凝胶、复合乳液凝胶等。乳液凝胶的结构、功能特性取决于凝胶基质和填充颗粒间的结合特性，根据颗粒与基质之间的相互作用，填充颗粒可分为活性填充颗粒和非活性填充颗粒[4]。活性填充颗粒会与凝胶基质相互作用，能够影响乳液凝胶的微结构和流变学性能；非活性填充颗粒不会与基质结合，对乳液凝胶的强度无增强效应。一般来说，乳液凝胶的制备过程可以分为以下两步：一是乳状液的制备，二是通过一系列的诱导方式使乳状液的连续相凝胶，从而得到乳液凝胶。常用的诱导方式有热诱导、酸诱导、盐诱导、酶诱导、化学交联剂诱导等[5-8]。乳液凝胶可作为脂肪替代物，有效降低饱和脂肪酸的含量，提高多不饱和脂肪酸、人体必需氨基酸、矿物质等含量[9]；还可作为传递体系，用来包埋水溶性较差的生物活性物质，并能显著提高生物活性因子的稳定性[3]。本文对近十多年来不同乳液凝胶的制备工艺及其应用研究进展进行总结，以期为乳液凝胶的制备工艺和其在食品、医药等领域的应用发展提供一定的借鉴。

1 基于蛋白质的乳液凝胶的制备

1.1 热诱导

许多蛋白质都有热凝胶性，加热时，未折叠的蛋白质之间通过链间、链内二硫键相互作用，从而形成凝胶的空间网状结构[10]。乳液凝胶的油滴表面粗糙并具有结构性，能够通过改变蛋白质与油脂比例调整乳液凝胶的微结构。当蛋白质的浓度较高时，蛋白质会发生自聚集[5]。乳液凝胶结构还与热诱导过程中pH值、加热时间和离子强度有关。酸性条件下，蛋黄蛋白的热凝胶速度较快[11]。在一定范围内，加热时间越长，越有利于蛋白质分子间的疏水作用，形成的网状结构更加致密紧凑[12]。离子强度主要通过静电屏蔽效应影响乳液凝胶的结构和性能，随着盐浓度的增加，乳液凝胶的持水性降低，有序的凝胶结构变得无序[13]。酪蛋白乳状液在热作用下形成乳液凝胶的临界温度随着酪蛋白浓度的增加而升高。乳化作用使液滴被胶束酪蛋白包裹，加热时油滴会结合到酪蛋白的网状结构中，起着活性填充物的作用。用乳清分离蛋白代替部分酪蛋白，能够增强蛋白质的乳化性，使形成的乳液凝胶结构均一，弹性、强度较大[14]。

虽然热诱导这一方式简便易于操作，但由于该过程需在较高的环境温度条件下处理，不适合作为热敏性生物活性物质的输送载体。当包埋热敏性生物活性物质时，就需使用酶诱导、酸诱导、盐诱导等制备乳液凝胶的方式。

1.2 酸诱导

酸诱导乳液成胶主要应用于酸奶等发酵食品的制作中。酸诱导乳液凝胶的制备通常需在乳化作用之后对乳状液或乳状液同酸的混合液加热一段时间[15]，目的是保证葡萄糖酸内酯充分水解为葡萄糖酸，降低体系的pH值，促进蛋白质包裹的油滴之间的相互作用，提高乳液凝胶的硬度[15]。酸诱导乳液凝胶的形成机理为蛋白质分子吸附到液滴的表面使乳状液液滴聚集并进入到凝胶基质中，该过程与氢键、疏水作用有关[16]。在酸诱导凝胶体系中，液滴和凝胶基质的结构有序化会使酸诱导的乳清分离蛋白聚集物乳液凝胶的模量增加[17]。酸诱导乳液凝胶的形成过程与酸化温度、蛋白质的浓度有关。酸化温度的提高能显著缩短胶凝化时间，但凝胶的硬度有所降低[6]。随着蛋白质浓度的增加，乳液凝胶的弹性增加，乳液凝胶的储能模量与蛋白质的浓度为指数函数关系[18]。酸诱导的乳液凝胶的微结构与体系的pH值有关，当pH值接近于蛋白质的等电点时，静电排斥作用下降，有利于吸附在油滴表面的蛋白质分子和凝胶基质中的蛋白质分子共价交联[19]。此外，酸诱导的乳液凝胶的结构与性能还与油相的组成有关，含棕榈硬脂的大豆分离蛋白稳定的乳液凝胶，其硬度大于含葵花籽油或大豆油的乳液凝胶，且油脂吸附能力强，稳定性较好[20]。

1.3 盐诱导

由于盐诱导的乳液凝胶的形成过程中不涉及加热或酸化，这种诱导方式更适合于热敏感、酸敏感生物活性物质的运载，像益生菌、维生素等。盐诱导乳液凝胶形成的主要驱动力是蛋白质包裹的油滴之间的“桥联”作用。在制备过程中通常会对蛋白质的分散液加热，若未加热，蛋白质包裹的油滴易聚集成簇状或丝状，不利于网状结构的形成。加热过程可以增强Ca2＋和蛋白质有效作用位点之间的相互作用，使更多的油滴进入到三元网状结构中，增强乳液凝胶的强度[15]。

盐诱导的乳液凝胶的结构与性能与油的体积分数、盐离子浓度、蛋白质的聚集程度和浓度有关。在β-乳球蛋白稳定的乳液凝胶体系中，油滴是活性填充物，能够与凝胶基质相互作用，随着油相的体积分数的增加，乳液凝胶的网状结构变得致密且孔隙变小，弹性增加[7]。盐浓度较低时，形成的乳液凝胶较柔软，内部结构均一；随着盐浓度的增加，乳液凝胶的硬度增加，结构更加致密紧凑[21]，增加盐离子的浓度也可以加速胶凝化过程。由于盐诱导乳液凝胶的形成主要是通过Ca2＋的“桥联”作用，该过程不需要破坏界面上的蛋白质薄层，便能形成致密的结构，能够有效地避免液滴的聚集。在盐诱导的大豆分离蛋白乳液凝胶中，随着大豆分离蛋白的聚集，乳液凝胶的弹性增强，增大盐离子浓度，形成的乳液凝胶的油滴较小、结构均一、持水性能增强[22]。

1.4 酶诱导

酶诱导是一种较温和的、易受控制的制备乳液凝胶的方式，且不会产生副产物，制备成的乳液凝胶的结构紧凑、质地坚硬、弹性好[23]。与乳状液相比，酶诱导的乳液凝胶具有较强的氧化稳定性，该体系可用来抑制脂肪的氧化[24]。该方法中常用的酶是微生物谷氨酰胺转氨酶，它是转移酶的一种，能够催化蛋白质分子上的谷氨酰胺残基和赖氨酸残基之间的交联反应，使蛋白质发生分子内交联和分子间交联以形成空间网状结构[25-26]。Tang Chuanhe等[15]用酶诱导法制备了大豆分离蛋白稳定的乳液凝胶，实验发现，酶诱导的乳液凝胶具有均一的、较薄的、孔隙较小的网状结构，机械强度较大。在乳化作用之前对大豆分离蛋白溶液加热，能够使更多的油滴进入到网状结构中，未加热的大豆分离蛋白稳定的乳液凝胶在共聚焦显微镜下能够观察到裂口。但在乳化作用后对乳状液加热，不利于乳液凝胶的形成。

酶诱导的大豆分离蛋白稳定的乳液凝胶的结构与大豆蛋白的组成、浓度和油的体积分数有关，通过调整这些因素可以获得具有特定结构性能的乳液凝胶。Tang Chuanhe等[8]发现，当大豆分离蛋白中大豆球蛋白与β-伴球蛋白的比例较高时，制备成的乳液凝胶硬度较大，且凝胶硬度随着蛋白质浓度的增加而增加。油滴与油滴之间的作用除受到已吸附在油滴表面的蛋白质影响，还受到未吸附在油滴表面的蛋白质之间相互作用的影响[27]。当大豆油的体积分数较低时，凝胶网状结构的形成主要与未吸附在油滴表面的蛋白质之间的共价交联有关。随着大豆油体积分数的增加，越来越多的蛋白质吸附在油滴表面，蛋白质分子变得伸展甚至重排，有利于吸附在不同油滴表面的蛋白质之间酶促交联。因此，随着油相体积分数的逐渐增加，大豆分离蛋白稳定的乳液凝胶的弹性和持水能力增强[28]。除此之外，在酶诱导过程中对乳状液进行搅拌能够促进网状结构的形成，增强乳液凝胶的硬度。与连续式搅拌相比，间歇式搅拌效果更佳[29]。有研究表明，将微波辐射同酶交联协同应用，可以将牛奶蛋白的聚合速率提高3 倍[30]，这为酶诱导乳液凝胶的快速制备提供了新思路。

1.5 化学交联

表1 不同诱导方式制备的蛋白质乳液凝胶及其优缺点比较Table1 Advantages and shortcomings of protein-stabilized emulsion gels induced by different treatments

将明胶稳定的乳状液放置于5 ℃的环境中，明胶即可完成溶胶-凝胶的转化；但该方法制备的乳液凝胶中乳状液液滴是非活性填充物，不能与基质相互作用且会降低乳液凝胶的硬度[31-32]。通过使用京尼平这一毒性小的化学交联剂可制备具有较强机械强度和热力学特性的明胶乳液凝胶[33]。Thakur等[34]发现，均质时间影响京尼平交联的明胶乳液凝胶的微结构。当均质压力为3.5 MPa时，均质时间越长，乳状液的颗粒越小且分布越集中，油滴能够均匀地分散在明胶基质中，当均质时间较短时，油滴会发生聚集。随着均质时间的延长，京尼平交联的乳液凝胶的稳定性和机械强度也增加。表1为不同诱导方式制备的蛋白质乳液凝胶及其优缺点比较。

2 基于多糖的乳液凝胶的制备

2.1 淀粉乳液凝胶

图1 天然淀粉乳液凝胶的制备示意图和相关显微镜照片[35]Fig.1 Schematic diagram for the formation of natural starch emulsion gel and micrographs[35]

Torres等[35]以改性淀粉、天然小麦淀粉为原料制备天然淀粉乳液凝胶，制备过程如图1所示。吸附在油滴表面的改性淀粉中的疏水基团定向排列，有利于吸附在不同油滴上的相邻改性淀粉和连续相中的改性淀粉之间形成疏水网状结构[36]；此外，相邻的天然淀粉分子上的羟基也可通过氢键相互作用，增强颗粒与天然淀粉凝胶基质之间的相互作用。在天然淀粉凝胶中，改性淀粉稳定的乳状液液滴是活性填充物，随着葵花籽油添加量的增加，凝胶的弹性增加。

2.2 果胶乳液凝胶

低甲氧基果胶凝胶的形成主要是通过Ca2＋与果胶主链上的羧基基团之间的相互作用[37]，高甲氧基果胶凝胶结构的形成主要是通过未解离的羧基和仲醇基之间的氢键和甲基酯之间的疏水作用[38]。果胶乳液凝胶的流变学性能与甲基化程度有关。在低甲氧基果胶中，随着甲基化程度的降低，果胶的胶凝能力增强，形成的乳液凝胶抵抗形变的能力增强。当甲基化程度为27.2%时，在较大的温度范围内，乳液凝胶的动态储能模量几乎保持不变[39]。

2.3 κ-卡拉胶乳液凝胶

κ-卡拉胶乳液凝胶的制备通常是将乳状液和卡拉胶溶液在45 ℃的环境下加热一段时间，然后冷却到室温并静置使其成胶，加热的目的是抑制液滴的消耗聚集[40]。在卡拉胶乳液凝胶体系中，油滴是非活性填充物，随着中链甘油三酯浓度的增加，乳液凝胶的断裂应变几乎不变，断裂应力和杨氏模量降低；但当用溶菌酶稳定乳状液时，乳液凝胶的杨氏模量增加，这可能是由于卡拉胶与溶菌酶形成了纤维结构[41]。

2.4 菊粉乳液凝胶

菊粉是一种益生元多糖，且具有抗细胞毒性和抗基因毒性[42]。菊粉凝胶网状结构是通过细小微晶相互交联形成的，当微晶聚集形成较大的簇状物时，其网状结构能够截留大量的水分[43]。菊粉形成的网状结构的性质类似于脂肪结晶形成的网状结构，已有研究表明，菊粉可作为胶凝剂应用于乳液凝胶中[44]。菊粉乳液凝胶的制备需卵磷脂作为乳化剂，当橄榄油含量较高时，形成的乳液凝胶含有丰富的纤维、不饱和脂肪酸和酚类抗氧化物。与机械剪切形成的乳液凝胶相比，超声均质后的乳液凝胶网状结构更均一、细腻[43]。

3 复合乳液凝胶

3.1 复合蛋白质乳液凝胶

Qin Xinsheng等[45]制备了以大豆分离蛋白和小麦蛋白混合物稳定的乳液凝胶，该乳液凝胶体系有效地改善了大豆分离蛋白的乳化性和小麦蛋白的溶解性[46]。超声处理能够促进蛋白质的巯基基团和疏水基团充分暴露，提高蛋白质的起泡性和乳化性[47]。乳液凝胶的微结构与大豆油的体积分数有关，随着油相体积分数的增加，油滴会发生聚集、絮凝，乳液凝胶的网状结构变得疏松不均一；但乳液凝胶的弹性增加，抵抗机械力的能力增强，持水力增强[45]。油相体积分数增加也会加快凝胶速率，缩短成胶时间。在较低体积分数下，维系乳液凝胶内部结构的主要作用力是疏水作用和二硫键，当体积分数较高时，静电相互作用占主导[46]。

3.2 蛋白质-多糖乳液凝胶

固体脂质微颗粒能够将像黄油等熔点较高的脂肪酸耦合到乳液凝胶中，并能够加强乳液凝胶的结构和流变学性能[48]。Geremias-Andrade等[49]通过热诱导方式制备了以乳清分离蛋白、黄原胶稳定的具有高熔点油的乳液凝胶。改变固体脂质微颗粒分散液的浓度，可获得具有不同结构和流变性能的乳液凝胶。当分散液浓度较低时，油滴是非活性填充物，不影响乳液凝胶的机械性能；当分散液的浓度较高时，油滴是活性填充物，均一地分散在凝胶基质中，能够增加乳液凝胶的硬度，这可能是由于蛋白质的构象发生了变化，其疏水残基充分暴露[50]，加强了蛋白质与油滴之间的相互作用。

Hou Junjie等[51]通过酶诱导法制备了以大豆分离蛋白（soy isolate protein，SPI）、甜菜果胶（sugar beet pectin，SBP）或二者混合物稳定的乳液凝胶，并探讨了均质作用对形成的乳液凝胶微结构的影响。通过共聚焦显微镜可以观察到，不经过均质作用形成的乳液凝胶均具有良好的网状结构：以交联的大豆分离蛋白为骨架，将甜菜果胶乳化的油滴或油滴、甜菜果胶包埋在其中（图2）。经均质作用后，只有甜菜果胶稳定的乳液凝胶中油滴均一地分布在大豆分离蛋白的网状结构中且粒径小，其他体系中，油滴聚集成簇状。较小的油滴具有较高的界面区域，可以为高聚物的吸附提供较多的位点，从而增强油滴与基质的结合作用，提高乳液凝胶的断裂力和张力[52]。

图2 乳液凝胶的共聚焦显微镜图[51]Fig.2 Confocal microscopic images of emulsion gels[51]

4 乳液凝胶的应用

4.1 代替饱和脂肪酸

乳液凝胶是一种介于液体和固体之间的材料，常用来仿制饱和脂肪酸的质构特性，有利于设计低脂食品[53]。Poyato等[2]以卡拉胶、聚山梨酯80和葵花籽油为原料制备成的乳液凝胶可作为猪脂的替代物，能够降低新鲜肉制品中的饱和脂肪酸含量，且最终产品的风味能够让消费者满意。将奇亚籽乳液凝胶或燕麦糠凝胶混合在鲜香肠中，能够提高单不饱和脂肪酸、矿物质、氨基酸的含量，降低饱和脂肪酸的含量[9]。

表2 乳液凝胶作为传递体系的应用Table2 Applications of emulsion gels as delivery systems for some nutrients

乳液凝胶的微结构、性能与油相组成和浓度有关。在酸诱导的乳清分离蛋白稳定的乳液凝胶中，当用中链脂肪酸代替部分葵花籽油时，胶凝时间有所延长，但乳液凝胶的硬度增加。随着中链脂肪酸添加量的增加，其凝胶速度提高[54]。

4.2 作为功能因子的递送体系

4.2.1 包埋益生菌

Pandey等[55]以黄原胶和瓜尔豆胶为载体、山梨醇酐单棕榈酸酯为乳化剂制备了同时包埋益生菌和甲硝唑的乳液凝胶，该乳液凝胶能够有效提高益生菌的存活率。由于黄原胶和瓜尔豆胶几乎只在结肠中被消化利用，用这些天然胶作益生菌的载体，可实现定点释放[56]。在黄原胶质量分数为40%、瓜尔豆胶质量分数为10%的乳液凝胶体系中，益生菌在深冷冻生产过程中存活稳定性极高，存活率高达95%，且该体系及其稳定，甲硝唑的释放不受乳液凝胶贮藏温度和时间的影响，能够实现甲硝唑的持久释放。

4.2.2 包埋α-生育酚

Li Liang等[3]制备了Ca2＋诱导的β-乳球蛋白稳定的乳液凝胶，并用该体系包埋α-生育酚，实验发现，该体系大大提高了α-生育酚的释放稳定性及生物利用率，在模拟的胃液和肠液中，α-生育酚的释放和基质的降解均是完全的；而在模拟的胃肠道环境中，α-生育酚缓释缓慢。将α-生育酚和VE同时包埋在乳液凝胶体系中，可进一步提高α-生育酚的稳定性[57]。

4.2.3 包埋风味物质

与乳状液体系相比，乳液凝胶体系能更有效地抑制其在储藏期间风味物质的释放。风味物质的释放速率与构成凝胶的基质有关，与大豆分离蛋白乳液凝胶体系相比，酪蛋白酸钠乳液凝胶体系能更有效地抑制己酸乙酯的释放[58]。

Hou Junjie等[51]制备了以大豆分离蛋白和甜菜果胶的混合物稳定的乳液凝胶，并用其包埋风味物质（己酸乙酯、己酸丁酯和辛酸乙酯），结果发现，乳液凝胶体系能够显著抑制风味物质的释放速率。风味物质的释放速率主要由风味物质的扩散速率和凝胶基质的空间位阻效应决定[54]，由于辛酸乙酯的疏水性极高，对油脂的吸附能力极强，几乎不与蛋白质或多糖相互作用，与其他两种风味物质相比，它的空气/乳液凝胶分配系数、初始释放速率均非常低。风味物质的初始释放速率还与油滴的粒径有关；油滴较小时，它能够为蛋白质/多糖的吸附提供较多的位点，有利于油滴与基质之间的相互作用，使油水界面致密紧凑、结构均一，能充分起到屏障保护作用[51]。表2为不同乳液凝胶作为传递体系的应用。

5 结 语

通过一定的诱导方式使乳状液中的连续相胶凝可制备乳液凝胶，乳液凝胶体系既具有乳状液的特性，又具有凝胶的特性。乳液凝胶在作为脂肪替代物、提高生物活性因子稳定性中已显示出了巨大的优势。然而，乳液凝胶在材料的选择、制备及其在更复杂的食品体系中的应用等方面还需进一步研究，即如何控制制备过程中的成本、乳液凝胶机械性能的合理性及其有效调控、作为脂肪替代物的感官评价、包埋的生物活性因子的负载率和稳定性、生物活性因子的消化代谢与在普通食品中的消化代谢是否存在区别等。突破和解决上述问题，需要多学科交叉研究，以为拓展乳液凝胶在食品中的应用提供依据。